O nouă formă de bor flexibil, de 10 milioane de ori mai conductivă electric
Cercetătorii au reușit să creeze o nouă formă alotropică a borului elementar, numită Imma-B60, obținută prin îndepărtarea sodiului dintr-un compus de borură de sodiu (Na4B60). Rezultatele studiului au fost publicate în revista Nature Chemistry.
Spre deosebire de formele standard ale borului elementar, care au structuri atomice dense și compacte, Imma-B60 formează o rețea poroasă și deschisă, construită din cuști de bor cu 12 atomi, conectate prin unități triunghiulare de bor cu 3 atomi. Această structură se deformează intern sub presiune, permițând materialului să fie flexibil și să se deformeze cu până la 23% fără a se sparge.
Imma-B60 conduce electricitatea de aproximativ 10 milioane de ori mai bine decât forma comună a borului, datorită unei benzi interzise foarte înguste, de sub 0,2 eV. La temperatura camerei, conductivitatea electrică este de circa 9×10² S/m, cu aproximativ șapte ordine de mărime mai mare decât cea a borului romboedric standard.
Depășirea limitărilor borului casant
Borul este cunoscut pentru utilizările sale multiple: joacă un rol cheie în tehnologia semiconductorilor și, datorită capacității sale neobișnuit de puternice de împrăștiere a neutronilor, este indispensabil în cercetarea privind împrăștierea neutronilor și în aplicațiile nucleare.
Însă proprietățile structurale care îl fac util aduc și anumite dezavantaje. Formele convenționale de bor elementar sunt natural superdure, casante sub stres mecanic și slabi conducători electrici, cu benzi interzise de peste 1,5 eV.
Timp de ani de zile, o formă plastică și foarte conductivă a borului elementar a existat doar pe hârtie, o idee promițătoare limitată la teorii și calcule de principii fundamentale. Sintetizarea efectivă a acesteia a reprezentat o provocare pentru chimiști timp de peste un deceniu.
Ruta obișnuită de sintetizare a alotropilor borului se bazează pe metode într-un singur pas, la presiune și temperatură ridicate, care împing în mod natural atomii de bor în cristale dense și compacte. Pentru structuri deschise, oamenii de știință au teoretizat construirea unui schelet precursor în jurul unor atomi metalici invitați temporari, urmată de eliminarea metalului prin încălzire. Chiar și această abordare a eșuat adesea, deoarece borul, fiind deficitar în electroni, se leagă puternic de atomii metalici, făcând extracția dificilă.
O nouă abordare de sinteză
În acest studiu, cercetătorii au găsit o modalitate de a depăși obstacolele. Au pornit de la borura de sodiu (Na4B60) ca schelet pentru construirea alotropului de bor. Studiile anterioare reușiseră să producă doar cristale mici și de calitate scăzută de borură de sodiu, ceea ce îngreuna degazarea, un pas esențial pentru formarea alotropului. Astfel, cercetătorii au introdus straturi intermediare de zinc în timpul formării borurii de sodiu.
Zincul a permis creșterea unor cristale mari, în care atomii de sodiu se aflau în interiorul unor canale deschise formate din cuști de bor interconectate. Apoi, cristalele de borură de sodiu au fost plasate într-un cuptor cu vid și încălzite la 900°C timp de două zile. Vidul a extras atomii de sodiu prin canalele structurale deschise, lăsând în urmă scheletul intact de Imma-B60, o formă nouă și pură de bor elementar.
Imma-B60 s-a comportat ca un semiconductor cu bandă interzisă îngustă, conducând electricitatea la temperatura camerei cu aproximativ șapte ordine de mărime mai mult decât borul romboedric standard.
Materialul s-a dovedit, de asemenea, mai plastic decât se aștepta. Testele de compresiune pe nanopiloni de Imma-B60 au arătat că materialul poate atinge o deformare de aproximativ 32% fără a se fractura. Imagistica de înaltă rezoluție a relevat că flexibilitatea sa se datorează unui mecanism de alunecare mediat de dislocații, în care planele atomice alunecă lin unele pe lângă altele sub stres.
Noua rută de sinteză în două etape oferă un material format în întregime din bor, dar cu proprietăți diferite de cele ale omologilor săi alotropici. Cercetătorii consideră că Imma-B60 ar putea oferi o bază pentru proiectarea de materiale anorganice funcționale și rezistente mecanic, deschizând posibilități pentru bor dincolo de fazele sale semiconductoare convenționale.
